گروهی از محققان فرانسوی ابزار جدیدی برای بررسی درجا و بلادرنگ فرایندهای فیزیکی سطحی ابداع نموده‌اند. آنها با استفاده از این ابزار مکانیسم جدیدی برای تجزیه دی‌اکسید سیلیکون پیشنهاد داده‌اند که می‌تواند در میکروالکترونیک کاربردهای زیادی داشته باشد.
ارائه مکانیسمی جدید برای تجزیه دی‌اکسید سیلیکون
گروهی از محققان دانشگاه آیکس مارسل در فرانسه به رهبری دکتر فدریک لروی روشی برای بررسی فرایندهای فیزیکی در سطح مواد در مقیاس اتمی به صورت درجا و بلادرنگ توسعه داده‌اند. این روش امکان مطالعه سینتیک تجزیه یک فیلم نازک از دی‌اکسید سیلیکون را که روی سیلیکون رسوب داده شده بود، در حین یک فرایند حرارتی به وجود آورد. این راهکار بر مبنای اصول میکروسکوپی الکترونی بنا نهاده شده‌است.
دی‌اکسید سیلیکون یکی از اجزای مهم در میکروالکترونیک به شمار می‌رود و پایداری حرارتی آن در عملکرد ابزارهای الکتریکی بسیار حیاتی است. به مدت چهار دهه تحقیقات بسیار زیادی روی تجزیه لایه نازکی از دی‌اکسید سیلیکون به سیلیکون انجام شده است. مطالعات اولیه نشان داده است که این فرایند روی سطح و با ایجاد حفراتی در لایه اکسیدی شروع شده و سپس به صورت افقی گسترش می‌یابد. برای بهبود عملکرد اکسید سیلیکون، درک فرایندهای اتمی اولیه که مسئول باز شدن این حفرات هستند، ضروری است.
برای درک بهتر ویژگی‌های نانومواد، ابزارهای تعیین مشخصات پیشرفته مورد نیاز است. لروی توضیح می‌دهد: «ما به طور همزمان نیاز به تعیین مشخصات ساختاری (بلورشناسی، اندازه، شکل) و شیمیایی و بررسی درجا و بلادرنگ تغییرات ایجاد شده در طول یک فرایند داشتیم تا بتوانیم بر اساس بازخوردهای به دست آمده پارامترهای آزمایش را تنظیم نماییم. راهکار ما که بر مبنای میکروسکوپی الکترونی کم‌انرژی است، سنگ بنای اصلی دستاوردهای ما به شمار می‌رود».
با این حال حتی با این ابزار جدید نیز این گروه پژوهشی با چالش مواجه بود. اندازه‌گیری‌های بلادرنگ تجزیه حرارتی دی‌اکسید سیلیکون به طور خاص بسیار دشوار است، زیرا کل فرایند در چند دقیقه و در یک بازه دمایی بسیار کوتاه روی می‌دهد. لروی می‌گوید: «تنظیم تمام پارامترهای میکروسکوپ الکترونی قبل از آغاز فرایند تجزیه غیرممکن است، زیرا دی‌اکسید سیلیکون یک ماده بی‌شکل است و بنابراین تنظیمات میکروسکوپ باید در عرض چند ثانیه پس از آغاز فرایند تجزیه شدن به صورت دقیق انجام شود تا بتوان کل فرایند را بررسی کرد».
با این حال اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق نتایج قابل توجهی دربرداشتند. لروی و همکارانش به صورت تجربی نشان دادند که فرایند تجزیه آنگونه که در مطالعات قبلی بحث شده است، در آغاز در یک سیستم حالت پایدار اتفاق نمی‌افتد. لروی می‌گوید: «نتایج ما نشان داد که نگرش معمول سیستم حالت پایدار برای تجزیه دی‌اکسید سیلیکون که به واکنش ساده Si+SiO2>2SiO (g) که در لبه‌های حفرات اتفاق می‌افتد مربوط است، درست نیست». در حقیقت یافته‌های این گروه نشان داد که تجزیه دی‌اکسید سیلیکون از طریق هسته‌زایی و باز شدن حفرات با یک شکل کروی اتفاق می‌افتد. سرعت باز شدن حفرات به شدت به سرعت تجزیه دی‌اکسید سیلیکون در لبه‌های حفرات ارتباط داشت. ابتدا حفرات بزرگ به دلیل واکنش‌های شیمیایی کاتالیز شده توسط اجزایی همچون هیدروکسیل‌های سیلیکون که درون حفرات وجود دارند، به سرعت باز می‌شوند. محققان بر این باورند که در طول فرایند آنیلینگ حرارتی طولانی، این اجزا جمع شده و در طول فرایند تجزیه دی‌اکسید سیلیکون درون حفرات آزاد می‌شوند.
